芯耀
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如今，雙碳戰(zhàn)略深刻地影響著各行各業(yè)的發(fā)展。“氣候治理、碳中和已經(jīng)成為全球最大公約數(shù)，碳中和已經(jīng)從全球共識(shí)到了全球的行動(dòng)。”在碳中和背景下，儲(chǔ)熱技術(shù)作為可持續(xù)能源利用和能源轉(zhuǎn)換的重要組成部分，正日益受到廣泛關(guān)注和研究。隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和可再生能源比例的提高，儲(chǔ)熱技術(shù)成為了平衡能源供需關(guān)系、提高能源利用效率和應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)波動(dòng)性的關(guān)鍵解決方案。
10月16日，在佛山順德召開的美的2023遠(yuǎn)見者大會(huì)上，國(guó)內(nèi)知名儲(chǔ)能專家、華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院張正國(guó)教授帶來了《儲(chǔ)熱技術(shù)的研究及應(yīng)用》的主題演講。他表示，儲(chǔ)熱技術(shù)就是一項(xiàng)熱能儲(chǔ)存技術(shù)，其中最核心的就是材料來實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)存措施。“相變儲(chǔ)熱技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要技術(shù)之一，其中高性能相變材料及高效儲(chǔ)熱器的開發(fā)是相變儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用的核心。”他說，“未來將持續(xù)推進(jìn)儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽能熱利用、熱泵空調(diào)系統(tǒng)、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的應(yīng)用。”
以下是張正國(guó)教授的演講實(shí)錄：
張正國(guó)：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位朋友，大家上午好！很高興有機(jī)會(huì)來美的公司進(jìn)行交流并報(bào)告我們團(tuán)隊(duì)在熱能儲(chǔ)存領(lǐng)域做的相關(guān)工作。其實(shí)我來美的次數(shù)很多，很多時(shí)候作為專家來參加你們的項(xiàng)目驗(yàn)收評(píng)審，也有跟不同的部門進(jìn)行技術(shù)方面的交流。
我今天匯報(bào)的題目是儲(chǔ)熱技術(shù)的研究及應(yīng)用，包括下面幾個(gè)內(nèi)容，簡(jiǎn)單介紹一下儲(chǔ)熱技術(shù)，重點(diǎn)介紹相變材料的制備，還有在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。
儲(chǔ)能技術(shù)的背景像剛才李主任講的國(guó)家雙碳目標(biāo)，2030年要達(dá)到碳排放的峰值到2060年要實(shí)現(xiàn)碳中和，要實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，核心技術(shù)要素是既要大幅度提高化石能源的利用效率，又要大規(guī)模的開發(fā)和利用可再生能源。
儲(chǔ)能技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)比較重要的技術(shù)，如果按照儲(chǔ)能技術(shù)的分類，包括電能儲(chǔ)存，也包括熱能儲(chǔ)存，還包括氫能儲(chǔ)存，所以電、熱、氫都是要發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)。我們團(tuán)隊(duì)更多聚焦在熱能儲(chǔ)存的相關(guān)研究。這里可以看到目前在儲(chǔ)能領(lǐng)域，抽水儲(chǔ)能占儲(chǔ)能的絕大比例，化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等等各種各樣的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展非?？?。
在面對(duì)儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)聚焦在如下幾方面，如電池的熱管理、熱泵空調(diào)系統(tǒng)和建筑節(jié)能等：
關(guān)于化學(xué)儲(chǔ)能的安全性問題，我們知道電池對(duì)溫度非常的敏感，著火、燃燒、爆炸等安全問題會(huì)制約電池的應(yīng)用，必須采用熱管理技術(shù)，而儲(chǔ)熱技術(shù)可以與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)相結(jié)合。
從熱能的利用來看，整個(gè)社會(huì)來講50%以上的能源方式都是以熱能方式進(jìn)行消耗，而我們國(guó)家熱能的利用效率水平還有待進(jìn)一步提高，所以我們國(guó)家出臺(tái)一系列支持儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的行動(dòng)方案。這是從2016年到2022年我國(guó)出臺(tái)大力鼓勵(lì)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的政策，包含了儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用。
儲(chǔ)熱技術(shù)，簡(jiǎn)單來講就是一項(xiàng)熱能的儲(chǔ)存技術(shù)，像我們的加熱水的過程就能把熱能儲(chǔ)存起來。儲(chǔ)熱技術(shù)的核心就是用來實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)存的材料。儲(chǔ)熱技術(shù)主要包括三大類：
第一類是通過顯熱的方式進(jìn)儲(chǔ)熱，比如通過把固體、液體、氣體的溫度升高，可以把熱量?jī)?chǔ)存起來，儲(chǔ)熱密度的大小取決于材料本身（質(zhì)量、比熱容），以及儲(chǔ)熱過程中的溫差。目前比較廣泛應(yīng)用的是熔融鹽高溫儲(chǔ)熱，可以把溶融鹽從200多度升到500-600度，利用大的溫差對(duì)熱能的儲(chǔ)存是比較有利的。
第二類是利用潛熱進(jìn)行儲(chǔ)熱，即通過材料的相變過程進(jìn)行熱能儲(chǔ)存。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是水結(jié)成冰，冰融化成水。相變過程有兩個(gè)典型的特征。第一，相變溫度相對(duì)比較穩(wěn)定。第二，有比較高的相變潛熱值?；谶@樣的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存和釋放，同時(shí)還可以對(duì)發(fā)熱器件進(jìn)行溫度的調(diào)控。
第三類是可以通過化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行儲(chǔ)熱。比如說，正反應(yīng)如果是吸熱，那么它的可逆反應(yīng)就是放熱，化學(xué)反應(yīng)這種儲(chǔ)熱方式的最大特點(diǎn)是什么？具有非常非常高的儲(chǔ)熱密度，無論是比潛熱還是顯熱都高得多，但缺點(diǎn)是化學(xué)反應(yīng)過程相對(duì)難以控制，因?yàn)樯婕暗綁毫蛘唧w積的變化，還有一些系統(tǒng)性問題需解決，目前應(yīng)用比較少，更多還停留在學(xué)術(shù)研究方面。
總體來講，對(duì)比顯熱、潛熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱，潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)相對(duì)比較折中，既有比較好的過程可控性，同時(shí)也有相對(duì)比較高的儲(chǔ)熱密度，所以在目前研究的領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景上，還是比較多的。
這里重點(diǎn)介紹一下在相變儲(chǔ)熱領(lǐng)域的一些相關(guān)研究，首先從材料制備層面上講，相變材料有很多種類，可以采用有機(jī)物類，比如烷烴；還有無機(jī)類的，包括水合鹽、無機(jī)鹽及金屬類；還有一些共晶物，可以通過有機(jī)、有機(jī)和有機(jī)、無機(jī)等等材料進(jìn)行雜化。每種材料都有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，相變材料覆蓋的溫度范圍非常寬，可以從零下接近負(fù)100度，到零上接近1000度，都能夠找到對(duì)應(yīng)的一些材料作為熱能的儲(chǔ)存材料來應(yīng)用，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，比如低溫儲(chǔ)冷用于冷鏈運(yùn)輸；高溫儲(chǔ)熱用于太陽能熱利用和工業(yè)放熱余熱回收等等領(lǐng)域。
有機(jī)物和無機(jī)物材料的特點(diǎn)不一樣，有機(jī)物通常沒有過冷，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定，也沒有腐蝕性；最大的缺點(diǎn)就是對(duì)比無機(jī)物，它的成本相對(duì)比較高，導(dǎo)熱系數(shù)特別低；無機(jī)物成本比較低，潛熱值也相對(duì)比較高。當(dāng)然它也有很多的缺點(diǎn)，腐蝕性、性能不穩(wěn)定等等，都需要我們進(jìn)行改進(jìn)。
在實(shí)際應(yīng)用過程中，相變材料需滿足如下特征。
第一，過冷度很低，或者最好沒有過冷，同時(shí)有比較高的潛熱值，而且它的性能要很穩(wěn)定，有比較高的比熱容，導(dǎo)熱性能可根據(jù)我們的需求進(jìn)行調(diào)控，有的應(yīng)用場(chǎng)景需要它高的導(dǎo)熱系數(shù)，有的場(chǎng)景則需要導(dǎo)熱系數(shù)比較低，這需與其它材料進(jìn)行復(fù)合進(jìn)行調(diào)控。通過對(duì)材料進(jìn)行復(fù)合，可以解決普通相變材料在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，首先，比如說固液相變材料存在液體的流動(dòng)性，這會(huì)帶來封裝的問題，應(yīng)用時(shí)要防止它泄漏；
第二是導(dǎo)熱性能的調(diào)控問題，很多時(shí)候需要比較高的導(dǎo)熱系數(shù)，可以采用高導(dǎo)熱的介質(zhì)作為它的支撐材料，制備一種多孔基體作為載體的復(fù)合相變材料。要抑制液體的流動(dòng)性，我們也可以制備膠囊封裝的材料，把相變材料封在膠囊體里面，我們還可以將相變材料與聚合物復(fù)合在一起?？傊嗫捉橘|(zhì)封裝、膠囊封裝以及聚合物封裝都是目前從材料制備的角度上比較常見的復(fù)合技術(shù)。
對(duì)于高導(dǎo)熱的相變材料，可以使用碳材料作為載體與相變材料進(jìn)行復(fù)合，碳材料有比較好的導(dǎo)熱性能和可靠性，跟相變材料復(fù)合在一起制備出具有高導(dǎo)熱的復(fù)合相變材料。碳材料有多孔結(jié)構(gòu)，作為載體可以發(fā)揮表面張力和毛細(xì)作用率的相互作用，能抑制液體的動(dòng)性，因此復(fù)合相變材料能夠保持定型的特征，在相變過程中宏觀上保持固體的形狀，同時(shí)碳材料高的導(dǎo)熱系數(shù)可以顯著的提升復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能，最高導(dǎo)熱系數(shù)可以提高二百倍以上，比如有機(jī)物的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.3W/m.K左右，通過復(fù)合壓縮定型之后，導(dǎo)熱系數(shù)能接近60W/m.K，得到數(shù)量級(jí)的提高。
對(duì)于膠囊狀的相變材料，我們既可以制備聚合物殼的膠囊，也可以制備成無機(jī)物殼的膠囊，它的外殼材料是可以選擇的，膠囊的粒徑也可以進(jìn)行調(diào)控，可以制成微米級(jí)的膠囊，也可以制成納米級(jí)的膠囊，而且它的膠囊外殼還可以進(jìn)行改性，膠囊狀相變材料也可以作為功能產(chǎn)品在溫控領(lǐng)域中應(yīng)用。
聚合物基復(fù)合相變材料，能實(shí)現(xiàn)相變材料的柔性特征，既可以解決相變過程中液體的流動(dòng)性，同時(shí)也可以作為一種溫控結(jié)構(gòu)材料，直接貼附在一些發(fā)熱器件表面實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，后面我也會(huì)簡(jiǎn)單介紹一下。這就是我們目前在儲(chǔ)熱領(lǐng)域中應(yīng)用或者是研究比較多的三類材料。
從儲(chǔ)熱材料的應(yīng)用層面上來講：
第一，在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域應(yīng)用。我國(guó)大力發(fā)展的新能源汽車，以及可再生能源發(fā)電的配套裝置儲(chǔ)能電站，都離不開鋰離子電池的應(yīng)用，電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用。
但是電池本身有很明顯的溫度敏感性，溫度如果太低，它的電荷轉(zhuǎn)移電阻就很大，隔膜里面離子的滲過率減小，離子導(dǎo)電率會(huì)下降。新能源汽車在東北比較受限，主要是電池的低溫性能很差。而在高溫的時(shí)候，電池的電極副反應(yīng)會(huì)加劇，導(dǎo)致電池的老化，減少使用壽命，溫度進(jìn)一步升高，導(dǎo)致電池的著火和爆炸。在一個(gè)電池模組里面，需要電池與電池之間的溫差一致性非常好，最好小于5度。因此，因此，電池的高效熱管理非常重要。
目前，無論是車載還是儲(chǔ)能電站，在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的主要技術(shù)包括空氣冷卻，液體冷卻，熱管導(dǎo)熱。我們團(tuán)隊(duì)做得比較多的工作是采用相變儲(chǔ)熱的方式進(jìn)行電池的熱量管理。
在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)，采用相變材料。
對(duì)電池進(jìn)行熱管理，電池的最高溫度會(huì)小于50度，電池間的溫差會(huì)小于3度，這對(duì)電池的應(yīng)用來講是一個(gè)很好的效果。但是傳統(tǒng)的相變材料因?yàn)橐_保高導(dǎo)熱系數(shù)，使用碳材料復(fù)合，這種材料有一定的脆性，跟電池的貼合不是很好，帶來較大的接觸熱阻，所以我們要開發(fā)具有柔性的，能夠跟電池貼合度比較好的，同時(shí)有比較高導(dǎo)熱系數(shù)的材料。這樣的材料在很多使用電池的家用電器和電子產(chǎn)品上都有需求，能夠延長(zhǎng)使用時(shí)間。
第二，在電池長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)產(chǎn)熱的場(chǎng)景中，比如在儲(chǔ)能電站或車載系統(tǒng)中，要控溫就要有很大的相變材料用量，僅用相變材料來控溫是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中相變儲(chǔ)熱必須跟液冷、風(fēng)冷等主動(dòng)散熱形式相結(jié)合，我們團(tuán)隊(duì)也開發(fā)一種潛熱型熱流體，它是一種相變?nèi)橐?，可以替代水。它的?yōu)勢(shì)是具有較高的比熱容，是水的2-3倍，所以在單位的控?zé)釙r(shí)長(zhǎng)下，可以減少流體的用量，或是降低電池模組之間的溫差，特別是在大倍率放電條件下，控溫效果非常好。
第三，除了對(duì)電池進(jìn)行控溫外，我們還非常擔(dān)心電池的著火和燃燒。目前比較主流抑制電池?zé)崾Э氐姆绞绞鞘褂玫蛯?dǎo)熱系數(shù)的氣凝膠作為隔熱材料，目的是在某一個(gè)電池?zé)崾Э氐臅r(shí)候，希望通過低的導(dǎo)熱系數(shù)形成隔熱層來阻止熱量其向周圍電池?cái)U(kuò)散，從應(yīng)用效果來看，還很難實(shí)現(xiàn)完全抑制電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。前不久有報(bào)道說，我國(guó)每天至少有8臺(tái)新能源車發(fā)生著火事故。
鋰電池大于120度時(shí)會(huì)觸發(fā)熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。我們想，“堵”的方法不是最好的，能否開發(fā)一種在120度附近吸熱速度比較快、且可以吸收很大熱量的材料？為此，我們開發(fā)了一種具有儲(chǔ)熱功能的材料，放在電池模組里面進(jìn)行控溫，最近我們完成了一些電池模組的測(cè)試，證明它的抑制電池?zé)崾Э氐男Ч浅ｏ@著。
我們也研發(fā)了儲(chǔ)能電站的溫控產(chǎn)品，去年已經(jīng)應(yīng)用在近1000套儲(chǔ)能電站的集裝箱中。普通的儲(chǔ)能電站控溫模式是通過制冷機(jī)組產(chǎn)生低溫水對(duì)電池模組進(jìn)行控溫，我們?cè)谥评錂C(jī)組和儲(chǔ)能電站之間，增加了一個(gè)儲(chǔ)冷裝置，有什么好處呢？普通的儲(chǔ)能電站，配備的機(jī)組要滿足它最大的峰值熱負(fù)荷，而儲(chǔ)能電站溫控過程不是連續(xù)的。我們可以通過儲(chǔ)冷技術(shù)進(jìn)行熱管過程的調(diào)節(jié)，這樣一來給用戶帶來很多的好處：
1. 大大的減少制冷機(jī)組設(shè)備的投入。
2. 保障整個(gè)過程的可控性和運(yùn)行的平穩(wěn)性。
通過這種方式，大約可以提高1%的發(fā)電效率，減少運(yùn)營(yíng)成本。
儲(chǔ)熱技術(shù)除了應(yīng)用于電池?zé)峁芾硗?，還有一方向是在熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用。在碳達(dá)峰和碳中和的背景下，第一是將熱泵系統(tǒng)跟太陽能結(jié)合在一起構(gòu)建多能互補(bǔ)的供熱系統(tǒng)；第二是在峰谷電價(jià)差背景下降低運(yùn)行成本，可以利用低價(jià)電來制熱、儲(chǔ)熱，高價(jià)電時(shí)再來放熱。這個(gè)過程的核心就是儲(chǔ)熱系統(tǒng)，它既涉及到儲(chǔ)熱材料，也涉及到儲(chǔ)熱器。
為了兼顧傳熱性能和儲(chǔ)熱密度，我們?cè)趦?chǔ)熱器方面做了一些研究工作。第一，開發(fā)高性能的儲(chǔ)熱材料；第二，設(shè)計(jì)一種高效的儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)。思路是用高導(dǎo)熱材料和相對(duì)比較緊湊的儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)，最終能夠開發(fā)一種高儲(chǔ)熱密度，高換熱效率的儲(chǔ)熱器產(chǎn)品。
這個(gè)是我們跟美的合作研發(fā)的樣品，儲(chǔ)熱密度為33MJ，用10度的水進(jìn)行放熱，放熱有30MJ，這個(gè)方面還要進(jìn)一步優(yōu)化。我們以前也跟國(guó)內(nèi)一家制冷企業(yè)開發(fā)了基于儲(chǔ)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)化霜的熱泵系統(tǒng)，比Panasonic他們報(bào)道產(chǎn)品還早。熱泵在冬季運(yùn)行的時(shí)候，可以通過儲(chǔ)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的化霜。
此外，我們也跟美的公司合作開發(fā)飲水機(jī)，通過儲(chǔ)熱換熱器快速將100度左右的開水降到45度或55度左右，目前取得較好的研究進(jìn)展。儲(chǔ)熱技術(shù)還在其它領(lǐng)域?qū)嵤?yīng)用，比如儲(chǔ)熱式建筑材料、人體熱管理、電子器件控溫等。
最后總結(jié)一下，儲(chǔ)熱技術(shù)是實(shí)施碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)的重要技術(shù)，高性能的儲(chǔ)熱材料以及高效儲(chǔ)熱器的開發(fā)是核心，后續(xù)需持續(xù)推進(jìn)其在熱泵空調(diào)、熱管理、太陽能利用、建筑節(jié)能等等領(lǐng)域的應(yīng)用。非常感謝，請(qǐng)批評(píng)指正，謝謝！
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